셀프-센터링 마찰댐퍼를 이용한 제진 구조시스템의 내진성능 평가 = Seismic Performance Evaluation of a Seismic Control Structural System Using Self-Centering Friction Dampers

국문 초록 (Abstract)

제진 구조는 건축물의 진동을 감쇠시키는 원리로써 특수한 여러 종류의 댐퍼의 설치를 통해 진동 에너지를 흡수 및 소산함으로써 구조 부재의 손상을 방지하며, 구조물의 내진 성능을 향상시킨다. 또한 댐퍼의 교체만으로 구조 부재를 재사용 할 수 있고, 그에 따라 부재의 물량을 절감할 수 있어 경제적이다. 그 중 마찰댐퍼는 접촉하는 두 마찰면에 상대 변위가 발생하여 미끄러짐에 의해 발생하는 마찰력 발생으로 건물의 진동 에너지를 흡수하여 에너지를 소산하는 장치로써 비교적 우수한 에너지소산능력 및 유지관리의 용이성에서 다양한 구조물에 적용되고 있다. 하지만 기존의 마찰댐퍼는 이력 특성상 복원력이 존재하지 않아 지진동 이후 잔류변형이 발생 할 수 있다는 한계가 있다. 이는 댐퍼의 교체, 보수 및 보강으로 이어지며, 추가적인 비용이 발생하게 된다. 또한 댐퍼의 영구적인 잔류변형으로 인해 부재에 손상을 유발하게 된다.
이에 따라 기존의 마찰댐퍼의 한계를 보완하고자 댐퍼가 스스로 원점으로 회귀할 수 있는 셀프-센터링(Self-Centering) 마찰댐퍼를 제안하고자 한다. 다양한 재료와 기법으로 복원력을 도입한 마찰댐퍼의 연구 동향을 통해 여러 해석적 연구와 실험을 통해 실효성이 있음을 입증하였다. 본 연구의 제안된 마찰댐퍼는 마찰 면의 기하하적 형상을 경사형으로 하여 역학적 원리에 따라 원점으로의 회귀를 유도하였다.
셀프-센터링 마찰댐퍼의 주요 변수인 경사각, 마찰계수, 강종은 각각 장치의 복원력, 에너지 소산 능력, 마찰면 손상 저항성을 결정하는 핵심 인자이다. 본 연구에서는 세 변수의 상호작용을 분석하여, 깃발형(Flag-shaped) 형상의 이력 및 안정적인 복원 특성을 구현하고자 하였다. 본 연구의 세부 연구 결과는 아래와 같다.
장치의 수평 변위에 따른 역학적 원리를 이론적 고찰을 통해 정식화하고, 이를 유한요소해석 결과와 비교하여 근사식의 타당성을 검증하였다. 해석 결과, 근사식과의 오차는 10% 이내로 나타나 근사식의 신뢰성을 확인하였다. 또한 장치의 성능실험을 수행하여 변수 변화에 따른 이력 및 복원 특성을 분석하였다. 실험 결과, 경사각 20, 마찰계수 0.1∼0.2, 열간금형용 공구강인 STD11을 마찰 플레이트로 사용한 조건에서 가장 안정적인 셀프-센터링 복원 특성을 만족함을 확인하였다.
마지막으로, 제안된 장치를 강구조 모멘트 프레임에 적용하여 제진 구조시스템에서의 동적응답특성을 분석하기 위해 비선형 동적해석을 수행하였다. 비교 모델은 장치를 적용하지 않은 모델, 강재 이력형 댐퍼를 적용한 모델, 셀프-센터링 마찰댐퍼를 적용한 모델로 구성하였다. 해석 결과 댐퍼를 적용한 모델은 층간변형각, 잔류변위, 부재의 손상도에 대해 저감효과를 나타냄을 확인하였다. 특히 셀프-센터링 마찰댐퍼를 적용한 모델에서는 잔류변위가 대부분의 모델에서 1mm 미만으로 나타나며 지진동 이후 셀프-센터링 복원 특성이 적용되었음을 확인하였다. 본 연구의 실험 및 해석 결과에 따라 셀프-센터링 마찰댐퍼의 내진 성능 평가 및 향후 내진설계 프로세스 정립에 활용 가능한 기초 자료로서의 의의를 가진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Seismic control systems enhance the seismic performance of structures by reducing vibrations through the installation of various types of specialized dampers that absorb and dissipate seismic energy, thereby preventing structural damage.
Moreover, replacing dampers allows for the reuse of structural members and reduces material quantities, improving cost efficiency.
Among passive control devices, friction dampers dissipate vibration energy as heat generated by the frictional resistance produced during the relative sliding motion between two contact surfaces. Due to their excellent energy dissipation capacity and ease of maintenance, friction dampers have been widely applied to various structures. However, conventional friction dampers inherently lack restoring capability due to their hysteretic behavior, which can lead to residual deformations after earthquakes. This limitation may result in repair, replacement, or reinforcement requirements, thereby increasing maintenance costs and causing permanent deformation-induced member damage.
To overcome these limitations, this study proposes a self-centering friction damper capable of autonomously returning to its original position after deformation.
Previous analytical and experimental studies have verified the feasibility of incorporating restoring mechanisms into friction-type dampers using different materials and techniques. The proposed damper introduces self-centering behavior through a geometrically inclined friction surface, which provides mechanical restoring action based on its slope geometry.
The main parameters of the damper angle, friction coefficient, and steel grade determine the device’s restoring capability, energy dissipation efficiency, and wear resistance of the friction surfaces, respectively. This study investigates the interaction among these parameters to realize a stable flag-shaped hysteresis loop with reliable self-centering performance.
The mechanical behavior of the device under horiz ntal displacement was formulated theoretically and verified through finite element analysis, showing an error margin of less than 10%, confirming the validity of the theoretical model.
Performance tests were then conducted to analyze the hysteretic and restoring behavior under different parameter conditions. The experimental results showed that the most stable self-centering performance was achieved at an inclination angle of 20°, friction coefficient of 0.1∼0.2, and steel grade STD11.
Finally, nonlinear dynamic analyses were performed to evaluate the seismic response of a steel moment-resisting frame equipped with the proposed Self-Centering Friction Dampers. Three models were analyzed for comparison: a frame without dampers (NMF), a frame with conventional steel yielding dampers (SMF), and a frame with self-centering friction dampers (SCMF). The results demonstrated that both SMF and SCMF models effectively reduced interstory drift, residual deformation, and member damage compared to the NMF model. In particular, the SCMF model exhibited residual displacements of less than 1 mm in most cases, verifying the effectiveness of the self-centering restoring behavior after seismic loading.
The findings of this study confirm the superior seismic performance of the proposed self-centering friction damper and provide a fundamental basis for future seismic design methodologies and application guidelines for self-centering energy dissipation systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 방법 2
• 2. 제진 구조시스템에 대한 고찰 5
• 2.1 제진 구조시스템의 개념 5
• 2.2 제진장치의 분류 12
• 2.2.1 변위 의존형 제진장치를 적용한 제진 구조시스템 13
• 2.2.2 셀프-센터링 시스템이 도입된 마찰댐퍼 18
• 3. 셀프-센터링 마찰댐퍼의 형상 및 유한요소 해석 23
• 3.1 셀프-센터링 마찰댐퍼의 개요 23
• 3.2 셀프-센터링 마찰댐퍼의 이론적 특성 26
• 3.3 셀프-센터링 마찰댐퍼의 해석을 통한 근사식 타당성 검토 31
• 3.3.1 근사식과 해석에 의한 이력특성 비교 33
• 3.3.2 변수에 따른 이력특성 34
• 4. 셀프-센터링 마찰댐퍼의 성능평가를 위한 정적실험 36
• 4.1 실험 개요 36
• 4.2 실험 방법 39
• 4.3 실험 결과 42
• 4.3.1 장치의 이력특성 42
• 4.3.2 경사각에 따른 이력특성 45
• 4.3.3 마찰계수에 따른 이력특성 46
• 4.3.4 마찰면 손상상태 48
• 4.3.5 마찰면 마찰계수 50
• 4.3.6 셀프-센터링 복원능력 51
• 5. 셀프-센터링 마찰댐퍼를 적용한 강구조 프레임의 동적 응답 특성 52
• 5.1 해석 계획 52
• 5.1.1 해석 모델 52
• 5.1.2 부재 설계 52
• 5.1.3 해석 변수 58
• 5.2 해석 방법 63
• 5.3 해석 결과 및 분석 66
• 5.3.1 응답 층전단력 및 응답 층간변형각 66
• 5.3.2 잔류변위 69
• 5.3.3 댐퍼별 최대변위 응답 73
• 5.3.4 입력에너지 비교 75
• 5.3.5 해석 모델 한계상태 78
• 5.3.6 한계상태 시 층 부재별 손상분포 82
• 5.3.7 한계상태 시 에너지흡수량 비교 및 소성힌지 분포 84
• 6. 결론 88
• 참고문헌 90
• 부록 95
• Abstract 99